本發(fā)明涉及一種制作類巖石材料的試樣制作裝置及方法，尤其是一種三維裂隙類巖石試件制作裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著我國水利水電、交通工程的建設(shè)重心向地形和地質(zhì)復(fù)雜的西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，大量深長隧洞(隧道)、地下硐室修建于高山峽谷區(qū)，呈現(xiàn)出大埋深、高地應(yīng)力、強滲透壓的顯著特點，為工程建設(shè)帶來極大挑戰(zhàn)。在高地應(yīng)力、強滲透壓的耦合作用下，工程裂隙巖體極易發(fā)生破裂演化，導(dǎo)致巖體強度弱化和工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進而誘發(fā)嚴重的工程事故。水利大壩失事、礦井坍塌以及巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)事故往往與水力耦合作用下裂隙巖體的破裂有關(guān)。因此，明確水力耦合作用下裂隙巖體的破裂機理，掌握裂隙擴展演化規(guī)律及其對巖體宏觀力學(xué)行為的影響，是控制工程事故發(fā)生、確保建設(shè)和運營期安全所應(yīng)亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。但目前還缺乏水力耦合作用下裂隙巖體的破裂機理的深入研究。

室內(nèi)試驗是研究水力耦合作用下三維裂隙巖體的破裂機理的有效手段，然而，國內(nèi)外關(guān)于裂隙巖體的破裂機理研究大都基于純應(yīng)力環(huán)境下開展的，另外有關(guān)耦合作用下裂隙擴展以及水壓致裂機理的研究也大都采用二維模型，下面將具有代表性的用于巖體裂隙破裂試驗的模具及操作工藝簡介如下：

2009年1月，公開號為cn101462854a的中國專利申請《用于制作類巖石的脆性材料及其試件預(yù)制裂隙的制備方法》中，提出了一種用于制作含三維裂隙類巖石的脆性材料及其試件預(yù)制裂隙的制備方法，采用內(nèi)裂紋固定器和細棉線固定模擬裂隙的片狀材料，在純應(yīng)力環(huán)境下進行裂隙巖體破裂試驗。

2013年12月，公開號為cn103674658a的中國專利申請《一種隨機裂隙試驗?zāi)Ｐ偷闹苽浞椒ā分?，提出了一種將不同厚度、不同大小以及不同數(shù)量的裂隙碎片隨機參入到連續(xù)介質(zhì)的試驗?zāi)Ｐ?，適用于大型相似模擬試驗，在純應(yīng)力環(huán)境下進行裂隙巖體破裂試驗。

2015年3月，公開號為cn104833556a的中國專利申請《裂隙網(wǎng)絡(luò)巖體試樣的制作方法及其制樣模具》中，提出了一種不透明的內(nèi)含非隨機三維裂隙網(wǎng)絡(luò)巖石試樣的制作方法，用水溶紙模擬內(nèi)置裂隙網(wǎng)絡(luò)，用水溶線定位裂隙網(wǎng)絡(luò)，用煮沸法飽和試樣，適用于純應(yīng)力環(huán)境下裂隙巖體破裂試驗。

2016年5月，公開號為cn105973667a的中國專利申請《一種頁巖水力壓裂實驗樣品的制備方法》中，提出了一種頁巖水力壓裂實驗樣品的制備方法，現(xiàn)場取原樣，采用高壓水射流技術(shù)制作貫穿裂縫，適用于水力壓裂試驗。

2016年8月，公開號為cn106226135a的中國專利申請《一種水力壓裂試塊導(dǎo)向槽制作裝置及制作方法》中，提出了一種水力壓裂試塊導(dǎo)向槽制作裝置及制作方法，采用鋼管、鐵錐、牽引線和圓木棍預(yù)制導(dǎo)向槽。預(yù)制一個水平方向?qū)虿郏m用于水力壓裂試驗。

上述代表性的提出了巖石裂隙試件制作方法和用于水力壓裂試件的制作方法，在一定程度上解決了巖石裂隙試件和水力壓裂試件的制作問題，但仍存在如下不足：

(1)已有的巖石裂隙試件的制作方法適用于純應(yīng)力環(huán)境下裂隙巖體的破裂機理的研究，沒有涉及水力耦合巖石裂隙破壞機理的試件制作裝置和制作方法。

(2)已有水力壓裂試件的制作方法適用于水壓作用下二維裂隙巖體的破裂機理的研究，沒有涉及水壓作用下三維裂隙巖體破壞機理的試件制作裝置和制作方法。

(3)已有的巖石裂隙試件將水力耦合作用與三維裂隙兩種試驗因數(shù)分開考慮制作，沒有涉及水力耦合作用下三維裂隙巖體破裂機理的試件制作裝置和制作方法。

如何在類巖材料或相似材料中設(shè)置水壓和多組裂隙是研究成功的關(guān)鍵，解決這一問題的方法在于制作試件裝置上。目前，對水力耦合作用下裂隙巖體的破裂機理研究所進行的室內(nèi)試驗很少，用于巖體三維裂隙注水破裂試驗樣品的制作裝置，尚未有人做過，因而研究一種用于巖體三維裂隙注水破裂試驗的試件制作裝置及制作方法具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水力耦合試驗三維裂隙類巖石試件的制作裝置及方法。本發(fā)明基于環(huán)向分布孔與橫向分布孔相結(jié)合的方法，利用定位孔板實現(xiàn)了多條三維裂隙角度、間距及空間位置的精確定位，基于軟管成孔、硬芯支撐的方法，利用小孔徑橡膠水管與芯棒在試件中預(yù)制水力通道并連通張開型裂隙，實現(xiàn)了張開型裂隙的高壓注水。本方明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、定位精確，可廣泛應(yīng)用于三維裂隙類巖石材料水力耦合試驗。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用如下技術(shù)方案：

一種水力耦合試驗三維裂隙類巖石試件的制作裝置，其特征在于，包括用于精確定位多條三維裂隙及制備試件成型的三維裂隙精確定位試件模具和用于預(yù)制高壓注水三維裂隙并形成注水通道的高壓注水三維裂隙預(yù)制裝置；

所述的三維裂隙精確定位試件模具，包括由兩個側(cè)板和一個底板形成的槽狀結(jié)構(gòu)，在所述的槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)依次插裝有多個定位孔板，在所述的定位孔板上設(shè)有多個定位孔；所述的定位孔可以定位傾斜角度和不同間距的裂隙；

所述的高壓注水三維裂隙預(yù)制裝置，包括聚酯薄膜盒，所述的聚酯薄膜盒與橡膠水管相連，用于形成水通道設(shè)置裂隙水壓；所述的橡膠水管內(nèi)設(shè)有用于對其進行支撐的芯棒，所述的芯棒與旋轉(zhuǎn)把手相連；

所述的旋轉(zhuǎn)把手插裝在于其中一個側(cè)板上，所述的聚酯薄膜盒與橡膠水管位于定位孔板與側(cè)板形成的試件成型腔內(nèi)用于形成三維裂隙。

進一步的，所述的側(cè)板上設(shè)有用于插裝定位孔板的縱向凹槽和用于插裝底板的橫向凹槽；每個縱向凹槽上開設(shè)兩個用于固定定位孔板、底板以及側(cè)板的內(nèi)螺紋孔；在所述的側(cè)板上所預(yù)制每個試件的端面上開設(shè)內(nèi)螺紋孔，在不同側(cè)板斷面上開設(shè)不同位置的內(nèi)螺紋孔，用于形成不同軸心間距的雙裂紋或多裂紋。

進一步的，所述的底板長度與側(cè)板長度相同，底板寬度為試件高度與兩凹槽厚度之和，底板厚度與凹槽寬度相同，在每個縱向凹槽與橫向凹槽交匯處相應(yīng)的底板上開設(shè)內(nèi)螺紋孔。

進一步的，在所述的定位孔板上設(shè)有用于定位裂隙角度的分布成圓形的孔和用于定位裂隙間距的分布成直線的孔，利用環(huán)向輔助線和橫向輔助線將定位裂隙角度的孔和定位裂隙間距的孔進行孔位結(jié)合，形成孔位分布整體。

進一步的，所述的定位孔板可分為單雙裂隙定位孔板和三裂隙定位孔板兩種類型板件，單雙裂隙定位孔板可定位單個或兩個預(yù)制裂隙，三裂隙定位孔板可定位三個預(yù)制裂隙。

進一步的，所述的聚酯薄膜盒，由兩片相同的聚酯薄膜片按照不同的形狀進行疊放后粘結(jié)而成，使兩個聚酯薄膜片之間形成封閉空腔，保證制作試件時液體不會進入腔內(nèi)，進行加壓測試時可形成水力通道。

進一步的，所述的聚酯薄膜盒外粘結(jié)有棉線，棉線兩端分別穿過兩側(cè)定位孔板孔并固定于定位孔板上，并使聚酯薄膜盒中軸置于兩側(cè)定位孔板中間處。

進一步的，多個所述的聚酯薄膜盒之間用橡膠水管連接。

進一步的，所述的芯棒，直徑略小于橡膠水管的直徑，芯棒上涂有潤滑油，將芯棒置于橡膠水管內(nèi)，使芯棒前端抵在聚酯薄膜盒空腔內(nèi)側(cè)，芯棒末端抵到安裝旋轉(zhuǎn)把手的側(cè)板內(nèi)側(cè)。

本發(fā)明還提供了一種水力耦合試驗三維裂隙類巖石試件的制作方法，包括以下步驟：

(1)首先將底板兩側(cè)長邊分別安插到側(cè)板i、側(cè)板ii的橫向凹槽上；

(2)然后將試驗方案所要求的相同孔位的定位孔板安插到中間一組縱向凹槽內(nèi)，再把已安裝定位孔板的縱向凹槽擰上螺絲，使結(jié)構(gòu)達到半穩(wěn)定狀態(tài)；

(3)然后將試驗方案所要求的兩片聚酯薄膜片的內(nèi)邊緣用高強膠粘接在一起，形成聚酯薄膜盒，在聚酯薄膜盒中心處開孔，用高強膠粘結(jié)橡膠水管，再將兩根棉線用高強膠粘結(jié)聚酯薄膜盒；若試驗方案要求預(yù)制多裂隙則制作相同數(shù)量的聚酯薄膜盒，聚酯薄膜盒之間用橡膠水管連接。

(4)然后將已粘好的聚酯薄膜盒的棉線分別穿過兩側(cè)定位孔板所對應(yīng)設(shè)定角度的孔內(nèi)并拉緊打結(jié)固定，再將裂隙類型所對應(yīng)的芯棒涂上潤滑油并置于橡膠水管內(nèi)，擰上手扭螺絲；

(5)對于兩側(cè)的定位孔板組，重復(fù)(2)、(3)、(4)步驟，再上緊所有的螺絲和旋轉(zhuǎn)把手；

(6)最后將制作試樣的材料倒入試件制作裝置內(nèi)，將試件制作裝置放到振動臺，不斷填料、搗實，直到填滿試件制作裝置，然后擱置、拆模、保養(yǎng)，用于三維裂隙類巖石材料水力耦合試驗。

本發(fā)明有益效果表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)本發(fā)明使用模具組思路，既較好實現(xiàn)了一次成型多個試件，又保證了在相同環(huán)境下制作試件，使試件更加具有均一性；

(2)本發(fā)明使用定位孔板巧妙的將框架結(jié)構(gòu)與裂隙定位裝置相結(jié)合，既實現(xiàn)了裂隙定位，又節(jié)省了材料，簡化了操作工藝。

(3)本發(fā)明使用環(huán)向輔助線和橫向輔助線定位裂隙角度和裂隙間距，并將定位裂隙角度的孔和定位裂隙間距的孔進行孔位結(jié)合，形成孔位分布整體，即巧妙地解決了多位裂隙角度和間距難以定位的問題，又有效地提高孔位使用率。

(4)本發(fā)明使用橡膠水管和芯棒相結(jié)合的方式預(yù)制裂隙水力通道，橡膠水管利用粘接方式較好連接聚酯薄膜盒，保證了過水通道的密封性使水壓在聚酯薄膜盒釋放；芯棒用于支撐橡膠水管，防止在制作試樣時橡膠水管被制作試樣的材料擠扁，較好解決了試件難以預(yù)置水力通道(設(shè)置水壓)的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的模具整體示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的單雙裂隙定位孔板示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的三裂隙定位孔板示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的聚酯薄膜盒、橡膠水管和棉線粘結(jié)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的單、雙、三裂隙的高水壓裂隙預(yù)制裝置示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的聚酯薄膜片和橡膠水管粘接放樣圖；

其中1.側(cè)板i，2.側(cè)板ii，3.底板，4.定位孔板，5.手扭螺絲，6.芯棒，7.橫向輔助線，8.環(huán)向輔助線，9.橡膠水管，10.聚酯薄膜盒，11.棉線，12.聚酯薄膜片，13.高強膠。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當理解的是，當在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，水力耦合試驗三維裂隙類巖石試件的制作裝置，包括三維裂隙精確定位試件模具和高壓注水三維裂隙預(yù)制裝置，三維裂隙精確定位試件模具用于精確定位多條三維裂隙及制備試件成型，高壓注水三維裂隙預(yù)制裝置用于預(yù)制高壓注水三維裂隙并形成注水通道。

如圖1所示，三維裂隙精確定位試件模具，包含由側(cè)板i1、側(cè)板ii2、底板3和六個定位孔板4，板件均采用鋼材。側(cè)板i1、側(cè)板ii2、底板3和六個定位孔板4形成框架結(jié)構(gòu)，用于試件成型，特別的，側(cè)板i1、側(cè)板ii2和定位孔板4還用于三裂裂隙精確定位。

如圖1所示，側(cè)板i1、側(cè)板ii2內(nèi)側(cè)面上均車削出六個縱向凹槽和一個橫向凹槽，每隔兩個縱向凹槽根據(jù)試件寬度組成一組，兩組縱向凹槽間留有間隙，縱向凹槽與橫向凹槽相互垂直且寬度均與定位孔板4的厚度相同，縱向凹槽的長度與試件的寬度相同，橫向凹槽的長度與側(cè)板長度相同。每個縱向凹槽上開設(shè)兩個m4的內(nèi)螺紋孔，一個螺紋孔位于縱向凹槽與橫向凹槽交匯處的中心，另一個螺紋孔位于縱向凹槽的上半部，另外在側(cè)板上所預(yù)制每個試件的端面上開設(shè)m6內(nèi)螺紋孔，在不同側(cè)板斷面上開設(shè)不同位置的m6內(nèi)螺紋孔，用于形成不同軸心間距的雙裂紋或多裂紋。

如圖1所示，底板長度與側(cè)板長度相同，底板寬度為試件高度與兩凹槽厚度之和，底板厚度與凹槽寬度相同，在每個縱向凹槽與橫向凹槽交匯處相應(yīng)的底板上開設(shè)m4的內(nèi)螺紋孔。

如圖1-3所示，定位孔板4高度與試件高度相同，定位孔板4長度與底板3寬度相同，定位孔板4厚度與凹槽寬度相同，在縱向凹槽上半部內(nèi)螺紋對應(yīng)的定位孔板4上開設(shè)m4的內(nèi)螺紋孔。定位孔板4可定位傾斜角度和不同間距的裂隙，分布成圓形的孔定位裂隙角度，分布成直線的孔定位裂隙間距，利用環(huán)向輔助線8和橫向輔助線7將定位裂隙角度的孔和定位裂隙間距的孔進行孔位結(jié)合，形成孔位分布整體，提高孔位使用率，減少孔位使用量。定位孔板4可分為單雙裂隙定位孔板和三裂隙定位孔板兩種類型板件，單雙裂隙定位孔板可定位單個或兩個預(yù)制裂隙，三裂隙定位孔板可定位三個預(yù)制裂隙。

如圖4-5所示，高壓注水三維裂隙預(yù)制裝置，包括聚酯薄膜盒10、棉線11、橡膠水管9、芯棒6和手扭螺絲5。聚酯薄膜盒10用于形成三維裂隙，棉線11用于固定聚酯薄膜盒10，橡膠水管9用于形成水通道設(shè)置裂隙水壓，芯棒6用于支撐橡膠水管9和聚酯薄膜盒10，手扭螺絲5配合側(cè)板i1用于固定芯棒6。

如圖6所示，聚酯薄膜盒9由兩片相同的聚酯薄膜片12按同形狀疊放，然后將疊放的兩個聚酯薄膜片12內(nèi)邊緣采用高強膠13粘結(jié)，使兩個聚酯薄膜片12之間形成封閉空腔，保證制作試件時液體不會進入腔內(nèi)，進行加壓測試時可形成水力通道，聚酯薄膜盒采用橢圓形，圓形，三角形，菱形和正方形，各形狀的聚酯薄膜盒選取不同尺寸，從而形成不同形狀大小的裂隙。

如圖4所示，棉線11粘結(jié)于聚酯薄膜盒10外側(cè)面，采用兩條棉線11粘結(jié)聚酯薄膜盒10，保持兩條棉線11相互平行，棉線11與聚酯薄膜盒10長軸垂直(以橢圓形聚酯薄膜為例)，棉線11兩端分別穿過兩側(cè)定位孔并固定于定位孔板4上，并使聚酯薄膜盒10中軸置于兩側(cè)定位孔板4中間處。

如圖1、圖5-6所示，橡膠水管9粘結(jié)于聚酯薄膜盒10中心處，先在聚酯薄膜盒10中心處開孔，設(shè)定再聚酯薄膜盒10的角度和間距，然后將橡膠水管9斜交與聚酯薄膜盒10側(cè)面中心開孔處并用高強膠13粘結(jié)，使拉直后的橡膠水管9軸向與試件的長度方向水平?？拷鼈?cè)板i1的聚酯薄膜盒10側(cè)面上粘接的橡膠水管9拉直后保證達到側(cè)板i1內(nèi)側(cè)，靠近側(cè)板ii2的聚酯薄膜盒10側(cè)面上不粘接橡膠水管。若使用多個聚酯薄膜盒10時，聚酯薄膜盒10之間用橡膠水管9連接。

如圖1、圖5所示，芯棒6直徑略小于橡膠水管9的直徑，芯棒6上涂有潤滑油，將芯棒6置于橡膠水管9內(nèi)，使芯棒6前端抵在靠近側(cè)板ii2的聚酯薄膜盒空腔內(nèi)側(cè)，芯棒6末端抵到側(cè)板i1內(nèi)側(cè)。芯棒6根據(jù)適用的裂隙類型可分為單裂隙芯棒，雙裂隙芯棒和三裂隙芯棒，區(qū)別在于芯棒的長度不同。

(5)如圖1、圖5所示，手扭螺絲5的螺紋段中軸與芯棒6中軸在一條線上，手扭螺絲5螺紋段與芯棒6末端焊接，手扭螺絲5旋擰在側(cè)板i1內(nèi)置螺紋孔內(nèi)且保證焊接面位于側(cè)板i1內(nèi)側(cè)平面內(nèi)。

本發(fā)明還公開了一種用于類巖石材料三維裂隙注水破裂試驗的試件制作方法，包括以下步驟：

如圖1所示，首先將底板3兩側(cè)長邊分別安插到側(cè)板i1、側(cè)板ii2的橫向凹槽上。

如圖1所示，然后將試驗方案所要求的相同孔位的定位孔板4安插到中間一組縱向凹槽內(nèi)，再把已安裝定位孔板4的縱向凹槽擰上m4螺絲，使結(jié)構(gòu)達到半穩(wěn)定狀態(tài)；

如圖4-6所示，然后將試驗方案所要求的兩片聚酯薄膜片12的內(nèi)邊緣用高強膠13粘接在一起，形成聚酯薄膜盒10，在聚酯薄膜盒10中心處開孔，用高強膠13粘結(jié)橡膠水管9，再將兩根棉線11用高強膠13粘結(jié)聚酯薄膜盒10。若試驗方案要求預(yù)制多裂隙則制作相同數(shù)量的聚酯薄膜盒10，聚酯薄膜盒10之間用橡膠水管9連接。

如圖1、圖5所示，然后將已粘好的聚酯薄膜盒10的棉線分別穿過兩側(cè)定位孔板4所對應(yīng)設(shè)定角度的孔內(nèi)并拉緊打結(jié)固定，再將裂隙類型所對應(yīng)的芯棒6涂上潤滑油并置于橡膠水管9內(nèi)，擰上手扭螺絲5。

對于兩側(cè)的定位孔板組，重復(fù)(2)、(3)、(4)步驟，再上緊所有的m4螺絲和手扭螺絲。

最后將制作試樣的材料倒入試件制作裝置內(nèi)，將試件制作裝置放到振動臺，不斷填料、搗實，直到填滿試件制作裝置，然后擱置、拆模、保養(yǎng)，用于三維裂隙類巖石材料水力耦合試驗。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。